Beam Chain: A luz da nova era do Ethereum

A 2024 Devcon, que acabou de acontecer em Bangkok, atraiu ampla atenção do ecossistema Ethereum. Uma série de avanços e dinâmicas mais recentes anunciados na conferência trouxe nova vitalidade à indústria global de Web3.

Entre as propostas mais notáveis está a proposta de atualização da camada de consenso Beam Chain, apresentada pelo pesquisador da Fundação Ethereum, Justin Drake. Este plano, chamado de "Ethereum 3.0" pela comunidade, visa reduzir a carga computacional e de comunicação dos validadores por meio de tecnologias de prova de conhecimento zero, diminuindo assim a barreira de entrada para se tornar um validador. Isso ajudará a atrair mais validadores para a rede, aumentando a segurança, reduzindo cálculos redundantes e melhorando a eficiência geral da rede. Além disso, a proposta também se dedica a resolver a dívida técnica herdada da cadeia Beacon devido a razões históricas e a se preparar para possíveis necessidades de segurança quântica no futuro.

Esta proposta está alinhada com o trabalho de Snarkificação (SNARKification) do Ethereum no roteiro The Verge, anteriormente apresentado por Vitalik. A Snarkificação envolve a transformação da camada de consenso e da camada de execução através de provas de conhecimento zero. Vitalik reconheceu na sua última interpretação que a transformação da camada de consenso é um trabalho desafiador, que precisa ser continuamente otimizado durante o desenvolvimento posterior. A proposta da Beam Chain pode ser vista como uma resposta concreta de Vitalik sobre como Snarkificar a camada de consenso.

A Beam Chain foca principalmente na transformação da camada de consenso. Tornar a camada de consenso em Snark não significa modificar todas as partes, mas sim focar principalmente no núcleo da blockchain — a Função de Transição de Estado (State Transition Function). Para a camada de consenso, a Função de Transição de Estado inclui principalmente a função de transição por slot (per-slot transition function), a função de transição por bloco (per-block transition function) e a função de transição por época (per-epoch transition function). Essas funções abrangem a execução do algoritmo de consenso e a lógica de Staking, a proposta de blocos, a verificação da correção dos resultados da camada de execução, a verificação da Raiz da Árvore Merkle (Merkle Tree Root), a verificação/agregação da assinatura de consenso, o cálculo da função hash e operações de staking e resgate que envolvem o acesso ao estado de armazenamento da conta.

Vale a pena notar que, durante o processo de Snarkização da camada de consenso, o Ethereum ainda coloca a descentralização e a diversidade como objetivos primordiais. Assim, não será obrigatório o uso de algoritmos e protocolos ZK específicos, mas sim a escolha ficará a cargo dos proponentes.

O principal desafio na realização da concepção da Beam Chain é como comprimir o tempo de prova, que atualmente leva dezenas ou até centenas de segundos, para um nível de segundos. Para resolver esse gargalo de desempenho, a comunidade está explorando métodos de aceleração ASIC, com a esperança de completar todo o processo de geração de provas de conhecimento zero na máquina virtual em chip, visando aumentar o tempo de geração de provas em mais de dez vezes nos próximos anos, alcançando assim provas em tempo real (Realtime Proving).

Algumas instituições de pesquisa já fizeram progressos significativos na aceleração das provas ZK utilizando plataformas de hardware como GPU, FPGA e ASIC. Por exemplo, na aceleração de vários sistemas ZK, como Polygon ZKEVM Prover, Stone Prover, Halo2 e Plonky2, alguns operadores centrais alcançaram uma taxa de aceleração superior a cem vezes.

Além disso, na computação verificável de grandes modelos na direção de AI+ZK, algumas implementações já conseguiram reduzir o tempo de geração do primeiro token do zkLLM de 4 horas para cerca de 18 minutos, através de tecnologias como multiplicação de matrizes Folding projetada de forma autônoma, otimização colaborativa GPU+CPU do protocolo Sumcheck e implementação eficiente de curvas elípticas.

Diante da ameaça potencial dos computadores quânticos, a indústria também está explorando ativamente soluções de criptografia pós-quântica. Por exemplo, uma biblioteca de criptografia pós-quântica baseada no OpenSSL já suporta vários algoritmos pós-quânticos padrão do NIST. Ao mesmo tempo, para o problema do armazenamento de assinaturas pós-quânticas que cresce mais de 40 vezes em relação ao ECDSA, a otimização do processo de consenso e a leitura de memória de baixa latência possibilitam que o TPS de uma blockchain resistente a quânticos alcance cerca de 50% da cadeia original.

A proposta da Beam Chain abre uma nova direção para a Snarkização da camada de consenso. Com o aprofundamento dessa ideia, espera-se que inspire mais inovações da comunidade sobre a transformação da camada de consenso. A Snarkização conjunta da camada de consenso e da camada de execução completará o quebra-cabeça final da Snarkização do Ethereum, contribuindo significativamente para a escalabilidade e descentralização do Ethereum.

No futuro, as máquinas virtuais baseadas na tecnologia de provas de conhecimento zero têm potencial para desempenhar um papel central no ecossistema Ethereum. Ao introduzir provas SNARK e criptografia pós-quântica, combinadas com uma barreira de staking mais baixa e tempos de confirmação de bloco mais rápidos, a Beam Chain trará uma descentralização mais forte e um desempenho superior ao Ethereum, inaugurando uma nova era de desenvolvimento para o Ethereum.